為了解決小管徑管道的流量測量問題，本論文提出了一種新的超聲波流量計的設(shè)計方法。以時差法為基本測量原理，設(shè)計 了基于相移調(diào)制技術(shù)的時差法超聲波流量計，相位檢測技術(shù)被用來實現(xiàn)對接收信號的處理，接收信號到達時間不確定引起的測量誤差 問題得到了解決。本論文中管道設(shè)計采用u型法。換能器性能對于相位檢測有很大的影響。為了提高測量精度減少系統(tǒng)功耗，計時芯 片選用TDC-GP22，微控制器采用MSP430F448芯片。

一、引言

超聲波流量計因其具有非接觸式測量、通用性好、分辨 率高、安裝方便的優(yōu)點⑴。以時差法為基本測量原理的超聲 波流量計需要準(zhǔn)確知道發(fā)射端的信號發(fā)射時刻及接收端的信 號到達時刻。傳統(tǒng)方法通常是選取接收信號的第一個過閾值 點作為信號到達的標(biāo)志。但由于機械波的震蕩慣性，測得 的過閾值點總是滯后于超聲波信號到達的真正時間。此外， 由于管道內(nèi)的溫度、壓力以及噪聲等因素干擾會導(dǎo)致接收信 號發(fā)生衰減，第一個過閾值點的位置也會產(chǎn)生變化，從而使 第一個過閾值點與超聲波發(fā)射時間間隔不是一個常量，最終 導(dǎo)致超聲波流量計的測量誤差。

二、方案

為了準(zhǔn)確確定接收端超聲波信號到達的時間，降低噪聲 信號的影響，提出了相移鍵控調(diào)制檢測的方法。為了實現(xiàn)高 精度的時間間隔測量，本論文采用ACAM公司生產(chǎn)的TDC- GP22作為時間測量芯片，主控芯片選用MSP430F448芯片。 為了延長聲程，提高測量精度，管道設(shè)計采用U型法，測量 管段內(nèi)部加裝了反射裝置。換能器是超聲波流量計的核心， 它的特性對于整個測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能有很大的影響， 為了避免測量誤差要慎重選擇系統(tǒng)換能器，本論文在20mm 管徑管道條件下。超聲波流量計的整體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

三、軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件要完成的工作有控制硬件系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集 并對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和結(jié)果顯示。軟件設(shè)計對象主要 是單片機和TDC-GP22，采用C語言作為編程語言。系統(tǒng)軟 件主要分為兩部分：主程序模塊和中斷處理模塊。系統(tǒng)硬件 是在軟件系統(tǒng)的控制調(diào)配下工作的，因此在編程過程中也要 考慮低功耗的要求，本論文在軟件系統(tǒng)設(shè)計過程中在確保系 統(tǒng)能正常工作的前提下，設(shè)置系統(tǒng)低功耗模式，此外單片機 外設(shè)對系統(tǒng)的功耗有很大影響例如LCD、鎖相環(huán)等，為了降 低系統(tǒng)功耗這些外設(shè)閑置時要把它們?nèi)筷P(guān)閉。

四、系統(tǒng)調(diào)試方法

本系統(tǒng)的調(diào)試首先以模塊調(diào)試方法進行，各項功能模塊 調(diào)試通過后再進行聯(lián)合調(diào)試；采用該方法極大提高了問題的 解決效率。

本系統(tǒng)的整機測試由軟件程序和硬件電路結(jié)合來進行， 通過加載軟件程序代碼，對硬件電路進行配置、輸出等操作， 在確保軟件代碼有效的情況下，驗證系統(tǒng)硬件設(shè)計和功能實 現(xiàn)是否有效。因此，在確認(rèn)硬件電路無誤后，對流量測量系 統(tǒng)進行最終驗證。

五、總結(jié)

本論文是研發(fā)設(shè)計一款基于時差法的單聲道超聲波流量 計。論文在對國內(nèi)外超聲波流量計技術(shù)進 行深人研究和調(diào)查的基礎(chǔ)上，針對國內(nèi)產(chǎn) 品存在的問題，提出了一種全新的超聲波 流量計的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，方案包括硬件系 統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、測量管段和超聲換能器四 個部分。硬件系統(tǒng)采用TDC-GP22為高精 度時間測量芯片，MSP430單片機為主控微 處理器，實現(xiàn)了電路簡單、高精度時間分 辨率、低功耗和成本低的特點。本論文提 出的相移鍵控設(shè)計方案，經(jīng)整機檢驗，可 以有效解決由于換能器以及反射板或管道 內(nèi)壁上的沉積物和管道內(nèi)的氣泡引起的接 收信號第一波的識別問題。